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南墅石墨礦與神奇的石墨烯的發現

2013-05-28 11:56:00 來源:礦秘書網采編 評論(0)
至柔則剛 —南墅石墨礦與石墨烯的發現與應用

石墨簡介

石墨芯不含鉛,其主要成分是石墨石墨芯不含鉛,其主要成分是石墨

截止2006年底,我國已查明資源儲量的非金屬礦產91種,其中儲量居世界前列的有20余種,而石墨以儲量和產量均占世界的一半左右而高居榜首。在我國二十多個省區市,都已發現石墨礦點,并形成了山東南墅、黑龍江柳毛、內蒙古興和三大(晶質)石墨生產基地,集中了全國晶質石墨保有儲量的90%以上,隱晶質石墨則主要分布在湖南、吉林等省。

石墨是國民經濟發展所需的重要非金屬礦產品,是碳元素的結晶礦物之一,具有潤滑性、化學穩定性、耐高溫、導電、特殊的導熱性和可塑性、涂敷性等優良性能,應用領域廣泛。石墨在冶金工業中,可用作耐火材料。在鑄造業中,可用作鑄模和防銹涂料。在電氣工業中,可用于生產碳素電極、電極碳棒、電池,制成的石墨乳可用作電視機顯像管涂料,制成的碳素制品可用于發電機、電動機、通訊器材等。在機械工業中,可用作飛機、輪船、火車等高速運轉機械的潤滑劑。在化學工業中,可用于制造各種抗腐蝕器皿和設備。在核工業中,可用作原子反應堆中的中子減速劑和防護材料。在航天工業中,可做火箭發動機尾噴管喉襯,火箭、導彈的隔熱、耐熱材料,以及人造衛星上的無線電連接信號和導電結構材料。此外,石墨還可作為玻璃和造紙的磨光劑和防銹劑,作為制造鉛筆、墨汁、黑漆、油墨和人造金剛石的原料。隨著現代科學技術和工業的發展,石墨的應用領域仍在不斷拓寬,已成為高科技領域中新型復合材料的重要原料。

 中國石墨礦簡史                

中國發現和利用石墨的歷史悠久,古籍中多有記載。古代地理學名著《水經注》中寫道:"洛水側有石墨山。山石盡黑,可以書疏,故以石墨名山矣。"從考古發掘的甲骨、玉片、陶片發現,早在三千多年前的商代,就有用石墨書寫的文字;直至東漢末年(220),石墨作為書墨的歷史才被松煙墨取代。

山東南墅石墨山山東南墅石墨山

進入20世紀之后,采用石墨制造電池和鉛筆的技術傳人中國。由于鉛在巖石或墻壁上書寫時,會有黑色痕跡,因此在古希臘及羅馬時代,人們使用鉛作為繪圖及寫字工具。中國古時,書寫于絹帛及紙上,若有錯誤,則以鉛粉涂改,所以古文中確有"鉛筆"一詞,但與現代的鉛筆不同。15世紀時,石墨礦被發現,當時的人并不知道石墨的成分,就稱石墨為黑鉛。大約在1492年,英國開始有人使用石墨制成的鉛筆。這種鉛筆由石墨研磨成粉與黏土混合,再灌入兩片半圓型的木管內制成。一直到1779年,科學家才知道石墨是碳的一種形式。

石墨被應用于中國近代工業后,推動了石墨采掘業的發展。湖南、陜西、黑龍江、山東等省先后都有石墨礦的發現和開采。從20年代起,一些學者就曾進行過石墨礦的地質調查,如梁津對福建南屏鉛礦的調查,侯德封、曾世錄、南延宗、廖友仁、盧衍豪、高俊西、李均衡、王日倫等人對四川、河南、福建、陜西、甘肅等地一些礦點的調查。但是1949年以前開采的礦山都未做過正規的地質勘查工作。

1949年之后,國家對石墨礦進行了大量的地質勘查工作。早在50年代初,華東工業部就派地質隊開始勘查南墅一帶的石墨資源。其后,建材和地礦等系統的地質隊,在60年代勘探南墅、興和、魯塘、磐石等1990年,中國石墨生產出現高峰,年產量67.9萬噸,出口量14.1萬噸。1995年再次出現新的生產高峰,年產量達216.3萬噸,其中鱗片石墨產量達54.9萬噸,出口量15.4萬噸。目前。我國石墨礦業擁有國有骨干礦山9座,地方國有礦山15座,集體及鄉鎮采選廠礦187家,各種加工廠180余家,形成以黑龍江柳毛、山東南墅、內蒙古興和為重點的晶質石墨生產基地,以及以湖南魯塘為中心的隱晶質石墨生產基地。

五十多年來,地質工作者們不僅查明擴大了老礦山的礦產儲量,而且還新發現了大批礦產地,探明了大量可供工業利用的儲量和豐富的后備資源,較全面地掌握了中國石墨礦產資源的特征和分布規律。中國石墨礦業歷經近百年滄桑,新中國成立后雖然歷經曲折,但總體發展顯著,業已形成為采礦、選礦、加工、質量提純和石墨制品等系列配套的綜合性產業。產品形成20多個品種、272個牌號,產品質量、粒度分級及粉碎加工方法均達到世界先進水平。同時,由于不斷開拓深加工產品,產品結構也發生較大改善,已能生產代表當代國際先進水平的彩電管石墨乳,GRT節能減磨添加劑、可膨脹石墨、石墨板材、石墨密封件和石墨耐火材料等六大類近一千種深加工產品,使石墨成為中國非金屬優勢礦產之一。

 山東萊西南墅石墨礦的發現經過                

鱗片石墨復合板材合鱗片石墨復合板材合

南墅石墨礦位于萊西市南墅鎮西北約3公里,東南至藍煙鐵路萊西站24.5公里,礦區到萊西站有窄軌鐵路專線相連,區內公路縱橫交錯,交通方便。礦區范圍南北長7.5公里,東西寬6公里,是我國晶質石墨礦的重要產地之一。

礦區位于膠北占隆起區西南部南墅斷塊劉家莊背斜核部,礦床屬于下元古代中——深變質巖系中的晶質石墨礦床,含礦巖系為下元古界粉子山群的大理巖夾石榴斜長片麻巖段和斜長角閃巖及透輝巖段。南墅石墨礦分岳石和劉家莊兩個礦區,礦體產出具有固定層位,呈似層狀或透鏡狀產出。

南墅石墨礦的勘查與開采較早。早在1926年河北省人張景山曾到南墅進行石墨礦產調查,準備在劉家莊采礦,因與山東人丁世生發生礦權之爭而中止。1936年,張會若在《礦冶》發表《山東礦產分布及儲量》一文,其中介紹了南墅石墨礦。1943年,日本人曾在南墅設采場及選廠采選石墨,1945年日本投降時停產。

新中國成立后,為發展國民經濟,1949年12月,華東工業部礦產勘測處技術員沙光文、王承棋、謝繼哲等人,應山東省政府有關部門的邀請,來礦區勘查石墨礦。勘探歷時半月,測勘范圍北至東館、石廟,南到白石山,西至下店、蔭山,東抵院上、徐家莊,面積約45平方公里.1950年3月,編寫提交了《山東萊陽縣南墅石墨礦簡報》,對該區石墨礦作了初步評價。該報告認為,區內石墨礦分布甚廣,礦石質量上佳,實為我國罕見之石墨產地。全區分9個礦段,推算深度為65米,估算儲量為3291萬噸,純石墨以10%-20%計算。固定碳儲量635萬噸。

50年代后期,礦山生產逐步走上正規,迫切要求詳細查明石墨礦產資源,以作為生產建設的地質依據。1957年2月冶金部地質局華北分局五O一隊,對正在開采的岳石礦區開展了系統而全面的地質勘探工作,在2平方公里范圍內測制1:2000地形地質圖,礦體露頭部分分別以25米、50米及100米間距布設探槽36條,投人工作量2936立方米,深部以50 x 50米、100 x 100米及200 x 200米網度進行鉆探控制,共投入鉆探工作量2898米(22個孔)。1958年5月,柏承政等編寫提交了《山東省萊西縣南墅石墨礦岳石礦區詳細勘探總結報告》,載明石墨礦的工業儲量為1905萬噸,遠景儲量461萬噸,平均固定碳含量5.41%. 1959年12月,該勘探報告通過了山東省儲委的審查批準,為此后的礦山生產建設提供了設計依據。

1962年3月,山東省儲委重新復審岳石礦區勘探報告時,認為礦床勘探程度和地質研究程度不夠,全部高級儲量降為原Cl級儲量,報告定為階段性勘探報告,并要求重新補勘。同年,由建筑材料工業部非金屬地質公司一O三隊根據省儲委復審意見,對岳石礦區進行補充勘探,投入探榴和剝土工程41條5799立方米,鉆探29個孔,計3567米。1964年12月,由樊頌華等編寫提交了《山東省萊西縣南墅石墨礦岳石礦區補充勘探報告》,累計探明石墨礦物儲量301.5萬噸,其中工業儲量225萬噸。1965年5月,該勘探報告通過了山東省儲委的審查批準。

1958年,五0一隊在結束岳石礦區勘探后,隨即轉入劉家莊礦區普查,在礦區東西長2500米、南北寬500米范圍內,地表沿礦體走向以100米間距布設探槽36條3853立方米,深部以400 x 100米網度進行鉆探控制,共投入鉆探工作量844米(5個孔)。1959年1月提交了《山東省萊西縣南墅石墨礦劉家莊礦區普查勘探總結報告》,探明石墨礦石遠景儲量1583萬噸,平均碳含量4.24%。從地勘部門提交第一份地質報告之后的三十年中,南墅石墨礦本身也作了大量勘探工作,如在露天采場平臺以25米間距布設槽探工程,搞清了開拓范圍內礦體形態、產狀、厚度及質量變化情況,進行儲量升級。截至1991年底,南墅石墨礦岳石礦區和劉家莊礦區累計探明石墨礦工業儲量271.9萬噸,遠景儲蟹121.5萬噸。

南墅石墨礦屬優質鱗片石墨礦床,所產鱗片狀晶質石墨具有耐高溫、導電、導熱及良好的潤滑性能,化學性能非常穩定,并有反射原子射線的特性,可廣泛應用于軍工、冶金、機械、化工、輕工、原子能工業等。

   石墨烯的發現、性能和用途               

石墨的孿生兄弟——鉆石

提起鉆石,人們就會聯想到它那璀璨奪目、光芒四射的形象。鉆石是金剛石經過琢磨之后的稱謂。天然的金剛石是稀有資源,所以價格昂貴,大多數人只能對它望而卻步。盡管如此,人們對鉆石還是十分艷羨。正因為可做"鉆石"用的天然金剛石十分罕見,人們才想到用人造金剛石來代替它,這樣自然而然地就想到了金剛石的孿生兄弟—石墨。

金剛石和石墨的化學成分都是碳(C),稱"同素異形體’。它們具有相同的"質",但"形"或"性"卻有天壤之別—金剛石是目前世界上最硬的物質,而石墨卻是最軟的物質之一。雖然石墨和金剛石的硬度差別如此之大,但人們還是希望能用人工合成的方法來獲取金剛石,因為自然界中石墨(碳的)藏量十分豐富。但是,要使石墨中的碳變成金剛石那樣排列的碳實非易事。石墨在5-6萬大氣壓((5-6) x 103MPa〕及攝氏1000-2000度高溫下,再用金屬鐵、鉆、鎳等做催化劑,可使石墨轉變成金剛石。目前世界上已有十幾個國家(包括我國)能夠合成人造金剛石。但這種金剛石因為顆粒很細,主要用途是做磨料,用于切削物質,以及制造地質鉆探和石油鉆機使用的鉆頭。當前,在世界金剛石的消費構成中,80%的人造金剛石用于工業生產,其產量已經遠遠超過天然金剛石的產量。最初合成的金剛石顆粒呈黑色,0.5毫米大小,重約0.1克拉(用于寶石的金剛石一般最小不能小于0.1克拉)。現在,我國研制的大顆粒金剛石達3毫米以上,美國、日本等已制成6.1克拉多的金剛石。之所以說金剛石已從石墨中"飛"出,是因為寶石級的人造金剛石在不久的將來,就可供應市場。

石墨烯的出現

石墨烯出現在實驗室中是在2004年,由英國的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特·諾沃塞洛夫(兩人因此獲得2010年諾貝爾物理學獎)發現,他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片,然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上,撕開膠帶,就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作,于是薄片越來越薄,最后得到了僅由一層碳原子構成的薄片,這就是石墨烯。實際上,石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料即碳的二維結構。人們常見的石墨,由一層層蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而成。石墨的層問作用力較弱,很容易互相剝離,形成薄薄的石墨片,當把石墨片剝成單層之后,這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。研究人員發現,在石墨烯樣品微粒開始碎裂前,它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達到了大約2.9微牛。據科學家們測算,這一結果相當于要施加55牛頓的壓力才能使1米長的石墨烯斷裂。如果物理學家們能制取出厚度相當于普通食品塑料包裝袋的《厚度約100納米)石墨烯,那么需要施加差不多兩萬牛頓的壓力才能將其扯斷。換句話說,如果用石墨烯制成包裝袋,那么它將能承受大約兩噸重的物品。所以說,迄今為止,石墨烯是世界上已經發現的最薄和最堅硬的物質。

石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾。人們發現,石墨烯具有非同尋常的導電性能,具有超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性.它的出現,有望在現代電子科技領域引發一輪革命。在石墨烯中,電子能夠極為高效地遷移,而傳統的半導體和導體,例如銅和硅遠不如石墨烯表現得好。由于電子和原子的碰撞,傳統的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量,目前一般的電腦芯片以這種方式浪費了70-80%的電能;而石墨烯則不同,它的電子能量不會被損耗。

石墨烯石墨烯

石墨烯是一種可能顛覆人類生活的產品,應用領域廣泛。美國普林斯頓大學的研究人員指出,若是采用石墨烯(graphene)電極,鋰電池的充電時間將能從2小時縮短到只要10分鐘。現在,科學家制備石墨烯的新方法層出不窮,石墨烯廣泛應用于工業化生產的日子指日可待。但由于將這種產品生產出來并不容易,因此其市場價格奇高:一克石墨烯可賣到5000元,是黃金價格的十幾倍。號稱國內首家從事石墨烯生產的廈門凱納石墨技術有限公司,年產量僅為20-30克。

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(1)張湛《中國非金屬礦行業概況和發展前景》中國非金屬礦資訊網2009年2月.
(2)本書編委會編《中國礦床發現史·山東卷》地質出版社1996年10月版.
《中國礦藏大發現》魯成偉 韓震媛/文

 

責任編輯:[金筱維]

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